利用地震资料预测煤层古河道冲刷带

曾维望;常锁亮;陈强

【摘 要】为预测沁水盆地西缘某矿区煤层古河道冲刷带，开展了地震波数值正演模拟，利用地震属性分析技术，结合波阻抗反演技术、三维可视化技术等手段，研究了煤层古河道冲刷带分布的特征。后期钻孔验证表明，利用地震资料预测煤层古河道冲刷带的方法是可行的。%In order to predict the washout zones of paleochannel in coal seams at the west edge in Qinshui basin, a seismic forward modeling was made. By using seismic attribute analysis technology, combined with wave imped-ance inversion method and 3D visualization technology, we studied the characteristics of the washout zones of pa-leochannel in coal seams. The verification of the later drilling show that using seismic data to predict the washout zone of paleochannel is a viable method.

【期刊名称】《煤田地质与勘探》 【年(卷),期】2016(044)004 【总页数】6页(P136-141)

【关键词】三角洲平原;正演模拟;地震属性;波阻抗反演;冲刷带 【作 者】曾维望;常锁亮;陈强

【作者单位】太原理工大学矿业工程学院，山西 太原 030024; 煤与煤系气地质勘查山西省重点实验室，山西 太原 030024; 山西山地物探技术有限公司，山西 晋中 030600;太原理工大学矿业工程学院，山西 太原 030024; 煤与煤系气地质勘查山

西省重点实验室，山西 太原 030024;太原理工大学矿业工程学院，山西 太原 030024; 煤与煤系气地质勘查山西省重点实验室，山西 太原 030024 【正文语种】中 文 【中图分类】P631

古河流河道冲刷属煤层冲刷中的一种，被古河流河道冲刷地段的煤层一般因冲刷变薄或者缺失，充填的河道砂岩一般含水性好，威胁着煤矿安全开采［1］。刘俊杰等［2］提出在采区与工作面设计布置阶段，运用地质统计学方法预测煤层冲刷带的发育与展布规律；李普涛等［3-4］提出以煤层-顶（底）板砂体等厚图法预测煤层冲刷带，并总结出沉积分析法、矿井物探法及地震信息等可以进行煤层冲刷带预测；胡运兵［5］提出利用矿井地震反射超前法对煤层冲刷带影响范围进行远距离超前探测；也有部分学者提出利用地震属性技术解释煤层冲刷带［6-9］。综上所述，煤层冲刷带预测的方法主要有地质与物探两种方法。

地质手段及二维地震勘探因信息量少，虽能预测煤层冲刷带的存在，但无法准确预测冲刷带的空间分布范围，因而当前预测煤层古河道冲刷带最好的方法是三维地震。针对煤层古河道冲刷带预测的存在问题，结合山西沁水盆地西缘某矿区的实例，利用地震波数值正演方法模拟了2号煤层附近古河道冲刷带的剖面特征，采用三维地震信息中的谱分解、反射能量、相干属性及波阻抗反演分析，精确雕刻煤层古河道冲刷带的空间展布特征，通过后期钻孔验证，效果良好。

山西沁水盆地西缘某矿区位于沁水盆地西翼中段，地表为典型的中低山地貌。构造主要形成于中生代的燕山运动时期。太原组含煤地层为滨海泻湖和潮坪等环境为主，经历多次海侵与海退后，在泥炭沼泽环境下发育了稳定且厚度较大的11、9+10号煤层组，形成6、5、4号薄煤层组。山西组含煤岩系沉积以三角洲平原环境为主，随着三角洲的推进，在分流间湾淤浅后局部地段发育泥炭沼泽生成了3号煤

层，物源碎屑继续进积便形成了三角洲平原地貌。因地下水位较高，泥炭沼泽得以长时间大面积发育，沉积环境为覆水的低位沼泽，水的流动极其缓慢，碎屑携带能力差，最后沉积了低灰分且大范围稳定可采的2号煤层。随着陆相沉积持续向南推进，本地沉积环境逐渐向上三角洲平原转变，但平坦的地形状况没有大的改观，在间歇平静期发育泥炭沼泽形成了1号煤层。总之，太原组和山西组的含煤岩系沉积是在近海的海陆交互环境下发育起来的，以陆地平原、泻湖或潮坪等环境为主，地势总体平坦，河水动能很弱，河道相的影响范围也很有限，海水一有进退便会引起大范围沉积环境的改变，因此无论是石灰岩或煤层在横向上是稳定的（图1）。 矿区可采2号煤层埋深为600～900 m，煤层厚度1.48～4.15 m，煤层伪顶和直接顶板缺失，煤层顶板砂岩属厚层中、粗砂岩系，各种大型的板状交错层理发育。矿区以往只进行过地质普查，未进行过煤层古河道冲刷分析。但是根据矿区2号煤层的泥炭层沉积后的沉积环境分析及地质统计学分析，2号煤层沉积后可能有下三角洲平原水下分流河道，因而可能存在2号煤层古河道冲刷带。

根据矿区的地质背景、测井资料、地层岩性、地球物理特性及2号煤层地震响应特征，利用有限差分法进行地震正演模拟，模拟了2号煤层古河道煤层冲刷带的剖面特征，建立的地质模型如图2a所示。模型中有2个主要可采煤层，其中2号煤层埋深600 m，9+10号煤层埋深700 m，地质剖面总长度1 000 m； 2个主要煤层的顶、底板均为砂岩；2号煤层古河道冲刷区域的地质模型参数见表1。 有限差分法正演模拟计算时，采用自激自收方法，道距10 m，地震道100道，子波长度为128 ms、主频45 Hz的零相位雷克子波，采样间隔为1 ms，获得煤层古河道冲刷带的正演地震剖面如图2b所示。通过获得的地震剖面分析发现：当2号煤层受古河道冲刷无煤时，煤层反射波同相轴表现缺失；当2号煤层受古河道冲刷煤层变薄时，煤层反射波表现振幅变弱。

在地震波数值正演模拟的基础上，通过矿区实际获得的时间剖面（图3）上分析看，

预测的2号煤层古河道冲刷带存在反射波同相轴能量变弱或缺失，与地震波数值正演模拟的结果基本吻合。 3.1 地震属性分析技术

为了分析2号煤层古河道冲刷带范围，主要利用地震信息中振幅、频率以及波形等特征进行分析，其中包括三瞬、谱分解、反射能量、曲率、相干及三维可视化等。三瞬属性中的瞬时振幅主要提供了声阻抗差的信息，一般用于振幅异常的品质分析，可用于检测断层、河道、地下矿床、薄层调谐效应；瞬时相位则描述了复相位图中实部和虚部之间的角度，对振幅调谐效应有响应，一般用来进行地震地层层序和特征的识别，使得断层、尖灭、河道更易被发现；瞬时频率主要表现在瞬时相位对时间的变化率，提供同相轴的有效频率吸收效应及裂缝影响和储层厚度的信息，一般用于气体聚集带和低频带的识别，确定沉积厚度；显示尖灭等突变现象。 谱分解技术是通过短时窗离散傅里叶变换将地震信息从时间域转换到频率域，得到振幅谱及相位谱调谐数据体的一项处理技术。将主要目的层段的时间域地震资料转换为频率域振幅调谐体和相位调谐体，通过谱分解顺层相位切片图与频率切片图，可以了解构造分布位置及岩性特征［10-14］。 3.2 波阻抗反演技术

在地震信息中，煤层一般为典型的薄层。相对于地震波长而言，煤层厚度一般小于λ/4，煤厚预测属于岩性勘探的范畴。波阻抗反演时以已有地质资料中测井资料约束地震资料，将地震信息反演为地层波阻抗或速度，把常规的地质界面型剖面反演成地层岩性型剖面，对于煤厚预测的精度相对较高，已成为目前煤岩、物性预测中广泛采用的地震技术［15-17］。 3.3 地震信息的利用

对地震数据中2号煤层反射波进行振幅、相位调谐信息的提取，通过提取的平面切片分析异常特征，在多个地震属性平面切片上发现一弯曲带，并伴有分支的异常

区域。图4的2号煤层顶板河道砂体振幅调谐切片上存在一灰冷色异常特征的区域（虚线圈闭区）；图5中能量属性切片上存在一暖色异常特征区域（虚线圈闭区），其异常区域均为弯曲带形状，与曲流河形状相似。

在地震属性分析基础上，应用了约束稀疏脉冲波阻抗反演方法对2号煤层的厚度进行预测。图6的2号煤层厚度变化趋势中存在一暖色异常特征区域（虚线圈闭区），2号煤层厚度变薄，其厚度在0~1.6 m（区内2号煤层平均厚度3 m左右）。根据矿井地质背景及2号煤层沉积环境分析，2号煤层厚度变薄的原因应该是沉积之后的后期古河道冲刷所致。为进一步确定矿井2号煤层古河道冲刷的可靠性，并圈定其分布形状及范围，利用三维可视化技术中的雕刻与透视技术，选取适合的种子进行追踪，最后形成一个三维雕刻体。图7是雕刻后的2号煤层冲刷带分析图，2号煤层古河道的轮廓及其边界（虚线圈闭区）非常清晰。最后，将上述综合解释的2号煤层古河道冲刷带与雕刻的2号煤层古河道冲刷带及解释后的2号煤层形态构造形态图叠合，将其展布在平面图上，进行冲刷带的综合分析。 对利用地震资料预测的2号煤层分流河道，采用钻探方法进行了验证，在2号煤层古河道冲刷带布设了副井检钻孔、中央风井检钻孔，在2号煤层厚度正常区域布设了主井检钻孔（图8）。

钻孔揭露表明：副井检钻孔、中央风井检钻孔钻遇的2号煤层厚度变薄，其中副井检厚度为1.42 m，中央风井检1.72 m，钻孔揭露的2号煤层顶板岩性为中、细粒砂岩，均有正韵规律，厚度相对较厚，且中央检查孔2号顶板中砂岩具有小型交错层理，说明古水流动力较强，应为古河道冲刷后所致；主井检钻孔钻遇的2号煤层厚度正常，为3.25 m，2号煤层顶板为泥岩。地震资料预测的2号煤层古河道冲刷带处的顶板岩性、河道砂特征与钻探结果较吻合。

a. 利用山西沁水盆地西缘某矿区地震信息，应用正演与地震信息技术，采用人机合作预测煤层古河道冲刷带的方法可靠，边界清晰。

b. 通过地震波数值正演模拟分析了煤层古河道冲刷带的剖面特征，为利用地震信息预测煤层古河道冲刷带的分布提供了依据。

c. 利用地震属性分析技术、波阻抗反演技术及三维可视化技术进行了冲刷带预测，可减少地震勘探结果的多解性。

d. 煤层古河道冲刷带边界钻孔验证表明：地震资料的分辨能力与可靠程度高于传统的地质手段，可为后期巷道、工作面的布置提供地质依据。

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